毕业论文-基于PLC高速全自动包装机的控制系统应用设计（送全套CAD图纸 资料打包）

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We apply the advanced control technique in the packing machine control system such as the technique of PLC, the inverter technique, light electricity technique and so on. By using these techniques, we realized tension control, Synchronous control in transmitting process and packing process program control. To complete the data of collecting and control the output equipments ments to work safely, high speed and efficiently, we designed the PLC correspondence network by using the WinCC, a supervise contrnl and configuration software of the company of Siemens, and its communication function, to realize the surveillance function of the packing process.The machine got the exaltation of the quality whether the function or the efficiency, basically came to the international advanced level in the late of 90s,realized well the control request that the company put forward.This control system is well running in the lab.Key words:Packing machine; PLC; tension control; self-adaptive Control control; WinCC; Step7.买文档送全套图纸 扣扣 414951605成都信息工程学院毕业论文 作者：杨倩第 页 共 42 页目 录摘要1ABSTRACT2目录3第一章 绪论51.1 可编程控制技术的现状51.2 可编程控制技术的发展趋势61.3 PLC 与其它工业控制系统的比较61.3.1 PLC 与继电器控制系统的比较71.3.2 PLC 与单片机控制系统比较71.3.3 PLC 与计算机控制系统的比较81.3.4 PLC 与集散型控制系统的比较81.4 卷纸包装机产生的背景及意义81.5 PLC 在包装机械上应用的可能性和前景91.6 项目研究的主要内容91.7 论文的安排10第二章卷纸包装机控制系统的总体设计112.1 卷纸包装机生产工艺概述 112.2 卷纸包装机速度影响的分析和提高122.3 可编程控制系统控制方案的设计122.4 系统的运行方式132.5 控制系统硬件总体设计142.5.1 总体结构关系142.5.2 控制系统主要器件的选择142.6 本章小结.21成都信息工程学院毕业论文 作者：杨倩第 页 共 42 页第三章电控系统电路及各功能模块的设计223.1 供电线路223.2 主要控制功能模块的设计233.2.1 装料工位 1233.2.2 夹钳抓紧、旋转、窝边工位 2 253.2.3 卸料工位 3 263.3 放卷、分切部分的张力控制. 263.3.1 包装纸分切机调节原理简介263.3.2 放卷部分. 273.3.3 张力控制系统的实现293.4 送料过程中的同步控制333.4.1 同步控制系统. .333.4.2 信号的获取353.4.3 同步控制电路原理的实现373.5 本章小结37第四章系统的软件介绍384.1 PLC 的软件设计.384.1.1 概述.384.1.2 PLC 程序的总体结构. .39参考文献. 39全文总结. 40致谢40附录包装电路图. 41成都信息工程学院毕业论文 作者：杨倩第 页 共 42 页第一章 绪 论1.1 可编程控制技术的现状可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称 PC 或 PLC，是 60 年代末发明的工业控制器件，是美国数字公司(DEC )为美国通用公司(GM)研制开发并成功应用于汽车生产线上，可编程控制器自此诞生。随着计算机技术的飞速发展，PLC 软硬件水平与规模也发生了质与量的变化，其控制技术也朝着智能化方向不断发展，同时推动了先进制造技术的相应发展。现代 PLC 已经成为真正的工业控制设备。最初，PLC 主要是用在生产线控制和大型机械的控制上。但不久，西德的西门子(SIEMENS)公司、BBC 公司就开始研制 PLC，当时主要是用于轧钢机、升降设备等大型设备上。70 年代初，日本的 OMRON 也推出了他们的 PLC。三菱、日立、富土、东芝、横河、日电等公司也先后加入了 PLC 制造者的行列。70 年代中期，美国和西德首先出现了微电脑化的小型 PLC。由于 PLC 是为工业控制所生产的通用性很强，适合于大批量生产的装置，所以成本迅速下降;加上其是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干扰性能;并且他的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业深受欢迎。小型 PLC 开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法构成了强有力的挑战，更有全面取代传统继电器控制屏的趋势。据国外资料介绍:1982 年美国 PLC 用户中，有 48%来自自动程序操作部门(如汽车、拖拉机工业、机械工业等)、13%来自石油化工业、9%来自食品饮料业、7%来自冶金工业、其余部分来自造纸、采矿、污水处理等部门。近年来，随着我国对外开放，日、美、西德等国生产的 PLC 己通过多种途径进入了我国，引起了各方面的重视并得到应用。如宝钢工程应用了数百台 PLC，首钢、武钢、开滦煤矿也分别应用了美国和西德的 PLC。1.2 可编程控制技术的发展趋势随着计算机科学的发展和工业自动化愈来愈高的需求，可编程控制技术得到了飞速的发展，其技术和产品日趋完善。仅仅将 PLC 理解为开关量控制的时代己经过成都信息工程学院毕业论文 作者：杨倩第 页 共 42 页去，PLC 不仅以其良好的性能满足了工业生产的广泛需要，而且将通信技术和信息处理技术融为一体，其功能也日趋完善。今后，PLC 将主要朝着以下两个方向发展:一个是向超小型专用化和低价格方向发展;另一个是向高速多功能和分布式自动化网络方向发展。总的趋势如下：1.可编程控制技术的标准化在工业自动化产品繁花似锦的今天，各生产厂商既互相竞争又互相合作。一种自动化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外，更重要的还在于其满足国际标准化的程度和水平。标准化一方面保证了产品的出厂质量，另一方面也保证了各个厂家产品的互相兼容。出厂检验时各可编程控制产品的厂家都有相应的技术标准作依据。按照这些标准，各种型号的 PLC 产品对工业应用环境、抗干扰性等条目都给出了明确的规定。但是，这些标准目前只能是统一区域性的产品，而不能实现全球的统一性。为了使各厂家的产品有一个共同的参考平面，制定了国际标准。2. CPU 处理速度进一步加快目前 PLC 的 CPU 与微型计算机的 CPU 相比，还处在比较落后的地步，最高的也仅仅处在 80486 一级。将来会全部使用 64 位 RISC 芯片，实现多 CPU 并行处理或分时处理或分任务处理，实现各种模块智能化，且部分系统程序用门阵列电路固化。这样 PLC 执行指令的速度将达到纳秒级。3.可编程控制技术的智能化提高一个系统的智能程度不仅提高系统的品质，在某种意义上也提高了系统的可靠性。4.系统的开放性和兼容性开放性和兼容性是不可分割的而且是相辅相成的概念。一方面是某一产品和第三家同类产品在通信上的兼容程度，另一方面是指某系统尤其是软件上的开发平台对使用者有多大的开放程度。当今可编程控制产品种类繁多，加上自动化项目越来越大，致使常常在一个工程项目中出现不同厂家的产品做主从站的现象，这就要求每一厂家的产品族中，都要考虑到和其他厂家产品的兼容性问题;另一方面，可编程控制器与工业控制机等其他装置的通信难易也体现了开放性的特点。除此之外，同一厂家产品族中的各系列产品兼容性也代表了可编程控制产品的水平。5.通用性和专业化的结合可编程控制产品是通用的。但是工业的每一领域都有其自己的特点。怎样才能使一个系统既具有通用性又具备专业化呢?硬件系统的模块化便是解决这一矛盾的钥匙。这样，适合于某个行业或某些特殊问题的专用模块就可以很容易地集成到通用成都信息工程学院毕业论文 作者：杨倩第 页 共 42 页系统中去。常用的专用模块包括:定位模块、温度测量模块、高速采样模块、网络接口模块等。6.可靠性进一步提高随着 PLC 进入过程控制的领域，对 PLC 可靠性的要求进一步提高。硬件冗余的容错技术将进一步得到应用，不仅会有 CPU 单元冗余、通信单元冗余、电源单元冗余、I/0 单元冗余、而且整个系统都会实现冗余。但从根本上来讲，系统的可靠性取决于系统各单元的可靠程度。要保证整个系统的可靠运行，首先要求系统各单元的质量要得到保证。MTBF(平均无故障时间)是衡量产品质量的重要指标。纵观各著名厂商，其 PLC 产品都有不同程度的冗余功能，而且发展越来越完善。7.控制系统分散化根据分散控制、集中管理的原则，PLC 控制系统的 I/0 模块将直接安装在控制现场，通过通信电缆或光纤与主 CPU 进行数据通信。这样使控制更有效，系统更可靠。8.控制与管理功能一体化为了满足现代化大生产的控制与管理的需要，PLC 将广泛采用计算机信息处理技术、网络通信技术和图形显示技术，使 PLC 系统的生产控制功能和信息管理功能融为一体。综上所述，我们不难得出下面几个结论:1.工控机、计算机集散控制系统及 PLC 正在走着一条相互融合的道路。2.智能分布式控制是可编程控制系统基于现场总线的新型控制思想。3.系统的智能性将越来越重要，因此系统的分析运算能力将越来越强。4.基于标准化的开放性和兼容性是衡量系统质量的重要判据。5.通用性、高度专业化的融合是可编程控制系统的新特征。1.3 PLC 与其它工业控制系统的比较、在现代工业设备及自动化项目中，我们会遇到大量的开关量、脉冲量及模拟量等控制装置。如电机的启动与停止，电磁阀的开闭，工件的位置、速度、加速度的测定，产品的计数以及温度、压力、流量等物理量的设定和控制等等。传统的工业自动控制主要是由继电器或分离的电子线路来实现的。这种控制方式虽然造价便宜，但却存在许多致命的弱点:只适用于简单的逻辑控制，仅适用某种控制项目，缺乏通用性，一旦要实现改动或者优化，只能通过硬件的重新组合来实现。目前，工业界比较有代表性的控制方式主要有以下几个类别:继电器控制系统，单片机控制系统，微型计算机系统，集散型控制系统。成都信息工程学院毕业论文 作者：杨倩第 页 共 42 页1.3.1 PLC 与继电器控制系统的比较继电器控制是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串、并联及时间继电器的延迟动作来组成控制逻辑，其缺点是一个系统一旦确定就很难轻易再改动。如果要在现场做一些更改和扩展更是难以实行。而 PLC 是利用其内部的存储器以数据形式将控制逻辑存储起来的，所以只要改变 PLC 内存储器的内容，也就可以实现更改控制逻辑的目的。对于 PLC 来讲，只要用 PLC 配备的编程器在现场就可以完成更改。至于 PLC 对外部的联系，只有 I/0 点，只要输入输出对象不变，就无须对硬接线作任何改动。继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作来实现的。工作频率很低。一次动作一般为数十毫秒。对于复杂的控制，使用的继电器越多，反应就越慢。而 PLC 是以微型计算机为基础的控制装置，其运行速度为每个指令步数十微秒(对于高速 PLC 则是 5 微秒以下)。并且内部有严格的同步，所以不会出现抖动的问题。对于限时控制，继电器是利用时间继电器的延时动作来实现的。由于时间继电器是利用空气阻力，半导体延时电路来实现延时的，所以其定时精度低，调整不方便。且环境温度变化等因素都会对定时精度有直接的影响。而 PLC 则是由晶体振荡器所产生的脉冲经多次分频后得到的时基脉冲进行计数来定时的，定时范围一般为 0.1 秒，也有 0.01 秒的，精度一般高于 10 毫秒，只要根据需要由编程器送入时间常数即可实现定时时间的设定或更改。由于 PLC 的定时是对时基脉冲进行计数来实现的，所以如果是对外脉冲进行计数，就成为计数器。现代的 PLC 一般都具有定时器和计数器功能。从可靠性和可维护性方面来看，继电器控制逻辑由于使用了大量的机械触点，连接线也多，触点开闭时产生的电弧会使触点损坏，动作时的机械振动还可能使接线松动，所以可靠性和可维护性都较差。而 PLC 则采用了无触点的电子电路来替代继电器触点，确切地说是用存贮器内的数据来代替触点，因此不存在上述缺点。而且体积小、功耗小、寿命长、可靠性高、还具有监控功能和自检功能，使程序的运行过程成为透明。PLC 一般还具有步进控制指令，可以进行步进控制，而继电器逻辑就比较困难。继电器逻辑只能对开关量进行控制。而 PLC 除了具有开关量控制功能外，有些功能较全的 PLC 还具有 A/D,D/A 转换装置，可以用来对模拟量进行控制。但是目前在成本方面 PLC 还比继电器贵，一般进口产品每个 I/O 点为人民币 80 元左右;国产一般点 I/O 为 60 元左右。1.3.2 PLC 与单片机控制系统比较虽然单片机的配置较微机系统简单，成本也较易接受，但它仍然不是为工业控成都信息工程学院毕业论文 作者：杨倩第 页 共 42 页制而设计的。同样存在着编程难、不易掌握、需要做大量的接口工作，可靠性仍较差，成本高等缺点。尽管其有较强的数据处理能力，但工业控制都为开关量控制，所以其长处仍得不到发挥。单片机与 PLC 的比较:在很大程度上，单片机是专为工业控制而设计的。因此，它具有较好的环境适应性。事实上，现代 PLC 的核心就是单片微处理器。用单片机作控制部件在成本方面具有优势。但是不可否认，从单片机到工业控制装置之间毕竟有一个硬件开发和软件开发的过程。虽然 PLC 也有必不可少的软件开发过程，但两者所用的语言差别很大，单片机主要使用汇编语言开发软件。而 PLC 用专用的指令系统来编程的。前者复杂而易出错，开发周期长。后者简便易学，现场就可以开发调试。单片机控制系统仅适用于较简单的自动化项目。硬件上主要受 CPU、内存容量及 1/O 接口的限制;软件上主要受限于与 CPU 类型有关的编程语言。一般说来单片机或单片机系统的应用只是为某个特定的产品服务的。其通用性、兼容性和扩展性都相当差。1.3.3 PLC 与计算机控制系统的比较PLC 是专为工业控制所设计的。而微型计算机是为科学计算、数据处理等而设计的，尽管两者在技术上都采用了计算机技术，但由于使用对象和环境的不同，PLC 较之微机系统具有面向工业控制、抗干扰能力强、适应工程现场的温度、湿度环境、输入、输出一一般采用“光一电”隔离技术，并配备有可承受较大负载的继电器或可控硅(也有用晶体管)输出部件，一般可以直接驱动小型电机等负载。此外，使用面向工业控制的专用语言而使编程及修改方便。并有较完善的监控功能。而微机系统则不具备上述特点，一般对运行环境要求苛刻，使用高级语言编程，要求使用者有相当水平的计算机硬件和软件知识。此外，微机系统的外设配备较多，有些对工业控制并非必须。因此 PLC 显然较微机系统更适合于工业控制。1.3.4 PLC 与集散型控制系统的比较PLC 是由继电器逻辑控制系统发展而来的。而集散控制系统 DCS( DistributionControl System)是由回路仪表控制系统发展起来的分布式控制系统，它在模拟量处理，回路调节等方面有一定的优势。PLC 随着微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，无论在功能上、速度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。并开始与小型计算机联成网络，构成了以 PLC 为重要部件的分布式控制系统。随着网络通信功能的不断增强，PLC 与 PLC 及计算机的互联，可以形成大规模的控制系统，在数据高速公路上(Data Highway) 挂接在线通用计算机，实现在线组态、编程和下装，进行在线监控整个生产过程，这样就已经具备了集散控制系统的形态，成都信息工程学院毕业论文 作者：杨倩第 页 共 42 页加上 PLC 价格和可靠性优势，使之可与传统的集散控制系统相互竞争。由于以上的原因，可以预见随着 PLC 成本的下降和机器要求的提高，将很快在大部分场合取代继电器控制屏。无论是与传统的继电器、接触器控制逻辑相比，还是与现代的微型计算机系统乃至专用于控制的单片机相比，在工业控制方面 PLC 都具有明显的优越性。尤其是对生产流水线、动作复杂的单机，比起前述几种控制手段来具有寿命长、可靠性高、对环境无特殊要求、开发费用低、周期短、无需专门的计算机软、硬件知识就可在短期内掌握，功能扩展方便，成本可为一般用户所接受等优点，是现代机电一体化产品控制装置的理想选择。1.4 卷纸包装机产生的背景及意义卫生卷纸是人们生活中的必须品，随着人们对纸质品用量的增加，对卫生纸的需求也越来越大，且对卫生纸的安全性，方便性要求也越来越高。为使包装出的物品整齐、美观并具有良好的包装质量，研制高速、高效、高质、经济的新型包装机是市场的迫切需求。目前，该类包装机多半为进口产品，价格昂贵。为此，我以东莞佳鸣机械制造有限公司的卷纸包装机控制系统为题材，论 PLC 在高速全自动的应用。1.5 PLC 在包装机械上应用的可能性和前景包装机械的最大特点是动作复杂、频繁，且有较多的执行元件。在这种场合使用继电器控制逻辑必然需要大量的中间继电器，而这些中间继电器在用 PLC 控制的情况下，就可以对其内部的辅助继电器进行编程后来取代。从物理介质方面来讲，前者是要用具体的电气元件来组合，而后者只是 PLC 的内部寄存器，在 PLC 编程容量许可的范围内，可以不花费额外的费用来实现复杂的控制逻辑。一般的 PLC 都有上百点内部辅助继电器甚至更多，且还有多种专用的内部电器，足可以应付一般的控制要求，唯一需要做的工作就是对 PLC 进行编程。事实上 PLC 用于这种场合是最能显现出其经济性。当然我们不仅忽视了 PLC 的另一个优点，那就是其运行速度及可靠性和寿命远远高于继电器控制方式，从上述意义上来讲，PLC 最适合于需要大量中间继电器的场合。且 PLC 与其他工业控制系统比较具有许多优点:1)更改控制逻辑只需修改软件，无需对硬件作改动;2)程序可以复制，批量生产很容易;3)电气硬件设计大大简化;4)由于 PLC 除有继电器功能外，尚有多种其它功能，可以实现继电器无法实现的控制功能，实现某种程度上的智能化，并有可能使机构简化;5)可靠性高 ;成都信息工程学院毕业论文 作者：杨倩第 页 共 42 页6)成本相对于继电控制而言稍高，但继电器控制随着所用中间继电器数量的增加，成本急骤上升，而 PLC 控制几乎保持不变，这一点对于复杂的控制来讲具有无可比拟的优越性;7)具有扩展单元或扩展模块，当需要较多 I/0 时可以方便地扩展。因此，国外在注塑机、各种包装机上已经大量地采用了 PLC 来取代传统的继电器控制屏，故障率大大降低，性能有了很大提高。我国包装机械目前控制部件大多还沿用继电器方式。如果能用 PLC 来取代的话，则可以简化机械结构，机械和电气设计都可以得到简化。更重要的是可以使原来无法实现的某些功能得以实现，使机器在某种程度上实现智能化。通过对各种控制系统的分析比较，我们决定采用 PLC 控制系统。1.6 项目研究的主要内容1.对可编程控制系统的现状与发展趋势作一简单的介绍，明确背景知识与选型根据；分析 PLC 在包装机械上应用的可能性与前景。2.卷纸包装机各动作控制工艺的研究。了解卷纸包装机的工作过程及工艺要求。总结各机构的动作顺序，将其用流程图的形式表示出来，为实现高速全自动运动控制做准备。3.可编程控制器部分的设计，包括控制方案的选取与设计、I/0 接口信号的确定、模块的选择，控制程序的设计。4.工控机软件的设计5. S7-300 与上位机的通信设计。1.7 论文的安排全文共分四章。论文的第一章主要介绍了可编程控制器的现状及发展趋势及其在包装机械上应用的可能性及前景，分析了 PLC 控制系统与其他控制系统的区别，介绍了本课题的研究内容。第二章分析了卷纸包装机工艺流程和包装各动作的时序及包装机速度的影响因素及提高方法，设计了包装机控制系统的控制方案、运行方式及硬件的选择和组态，并详细介绍了组态的各模块。第三章主要对控制系统的供电线路及包装各工位的电气图进行设计，并根据放卷分切部分的受力分析，建立模型，然后依据自适应控制原理设计和实现了张力控制，同时也实现了送料过程中的同步控制并绘出了电路图。第四章根据 PLC 原理用 SIEMENS 的 STEP7 设计包装机的软件。下面就具体结合卷纸包装机电控系统的实际来看一下它的应用。这里需要说明的是，正如前面所提到的那样，可编程控制技术并非单纯是指 PLC 本身，而是包括其在内的一系列自动化控制产品和技术的应用。本系统在电气控制部分设计时，成都信息工程学院毕业论文 作者：杨倩第 页 共 42 页充分考虑到用户的功能需求和与本系统机械部分的配合需求，在具体实现的过程中，又以系统的可靠性与易用性为准则，尽量把本系统设计成为一个功能齐全、可靠性高且易于使用的包装机设备。在设计控制系统之前，首先得了解其生产工艺。第二章卷纸包装机控制系统的总体设计第一章介绍了可编程控制技术的一些概要情况，下面就具体结合卷纸包装机电控系统的实际来看一下它的应用。这里需要说明的是，正如前面所提到的那样，可编程控制技术并非单纯是指 PLC 本身，而是包括其在内的一系列自动化控制产品和技术的应用。本系统在电气控制部分设计时，充分考虑到用户的功能需求和与本系统机械部分的配合需求，在具体实现的过程中，又以系统的可靠性与易用性为准则，尽量把本系统设计成为一个功能齐全、可靠性高且易于使用的包装机设备。在设计控制系统之前，首先得了解其生产工艺。2.1 卷纸包装机生产工艺概述卷纸包装机主要功能是将来自卷纸库的卷纸以每分钟 60 个的速率包装成合格的卫生卷筒纸。简单的工艺流程如图 2-1 所示。包装纸以卷筒的形式放在原料架上，当上位机发出命令时，放卷电机动作，开始放卷。放卷到一定长度(长度由色标来检测)时，通过色标信号向切纸机构发出指令。切纸机构采用交流变频调速电机，带动一个凸轮旋转，以带动切断刀上下运动，在凸轮上安装一个位置传感器，当凸轮转到某一位置时，切刀向上运动，二刀分离，当有色标信号时，刀又向下运动。切刀上、下的工作频率可由变频调速电机来调整，操作简便。切好的纸片经整理后放入纸片库中，等待推纸空心台送纸片。同时卷纸库的卷纸经过整理等待托盘推杆送卷纸球。包装过程通过包装工艺盘及其辅助机构来实现。包装工艺盘共有八个 V 形槽三个加工工位，当包装纸和待包装的卷筒纸放成都信息工程学院毕业论文 作者：杨倩第 页 共 42 页入槽中后，由工艺盘载着其转动，依次送入各加工工位。工艺盘的转动是由交流电机通过皮带传动带动的，各加工工位的动作是通过顺序逻辑控制电磁阀进而带动执行机构动作的。工件从 1 号工位装入;在 2 号工位由夹钳机构完成前进，抓紧，旋转，窝边的动作，同时分别向托盘和推纸空心台发出送纸球和送纸片信号;在 3 号工位，包装好的产品由于重力作用落入成品库。由于这是一个典型的顺序控制，利用移位寄存器操作最为方便。设定一个 8 位移位寄存器，每位移位寄存器相应于一个 V 形槽，每 120ms 移位一次，控制相应的操作。当到 2 号工位时发出上料信号，推纸空心台推动纸片(其总的上升时间大于490ms 小于 640ms)，托盘推动纸球(其总的上升时间略小于 640ms)同时以相同的速度前进，当工艺盘 V 形槽到达第一工位时，工艺盘停止，在此延时 150ms，待放纸空心台压到纸片到位行程开关，停止，托盘压到托盘到位行程开关，托盘停止，完成了上料操作，当延时到，托盘和放纸空心台后退，同时，插纸板前进，托住纸球与工艺盘一同运动。当到达 2 号工位时，工艺盘停止，延时 250ms,同时发出上料信号，在此时段内，插纸板在工艺盘停止后也相继停止，但由于惯性，会使包装纸带着纸球旋转一个较小的角度，使包装纸能完全包住纸球，然后再后退，同时夹钳机构轴向运动，碰到限位开关时，轴向运动停止，而三个夹杆同时径向运动，抓紧包装纸的两端，当碰到抓紧限位开关时，夹钳机构轴旋转 90 度后继续向前移动，进行窝边。窝边到位，该机构就后退。到达 3 号工位时，成品落下，完成一次包装，这样如此循环，直到发出停止信号。从图 2-2 的时序图分析，包装一个卫生卷纸只需880ms，可为什么在 1 分钟内却只能包 60 个啦，这里还有个 PLC 扫描周期的问题，本包装程序中 PLC 扫描周期为 120 ms。成都信息工程学院毕业论文 作者：杨倩第 页 共 42 页2.2 卷纸包装机速度影响的分析和提高随着中国改革开放与 WTO 的加入，中国的工业正向高速化、流水化发展，而中国的传统包装业以手动与半自动为主，大大阻碍了高速化发展。目前国外已有卷纸包装机，而且速度已经达到 120 个/分，而我们国家的卷纸包装还是半自动甚至有的小作坊还是手动操作，平均包装速度仅仅能达 20 个/分。如果引进国外产品，除了价格昂贵外而且也不利于本国的发展。因此研制高速包装机已成为社会发展的必然。为了满足厂方的要求，本设计的高速卷纸包装机包装能力要求达到 60 个/Min。我们知道包装机速度越高，要求稳定性和可靠性愈强。这就要求包装材料供送速度快、精度高、定位准确，包装材料质量标准要符合规格，停机率低，以减少包装材料损耗，且包装材料的装卸都要自动化等。一. 影响卷纸包装机高速化的包装材料的性质有：1.抗张(拉) 强度要大在高速包装机中，包装材料运动的线速度可达 500m / min 以上，同时包装机都是间歇式运动，材料直径大，材料运动惯性力大，所以应具有足够的抗拉强度，防止被拉断。在现行的卷纸包装机材料供送机构中可通过增加冲击力缓冲装置来解决。2.伸缩性要小包装材料在运行中，由于卷筒直径大、包装运行速度大，使之受到很大的拉力和惯性冲击力，易造成包装材料拉伸，影响包装纸定位准确性，所以材料的伸缩性要小，以保证包装机工作的可靠性和包装质量。 3.静电性要小卷筒包装材料在卷曲和使用过程中，易产生静电。当包装材料按定长切断后，在移送过程中，一旦发生静电粘附时；就需马上停机，所以静电性越小越好。二.机械结构的影响。传统的包装机在包装材料切断后迅速离开的办法是用不等速机构。常见的不等速机构有:偏心链轮机构，偏置曲柄导杆机构，凸轮、齿轮组合机构，凸轮一四连杆组合不等速转动机构以及非圆齿轮机构等。由于偏心链轮机构的变速范围有限，结构复杂，高速时易引起链条的跳动，而且传递的力不易过大，因此它只适合于一些速度不太高、传递的力不太大的小袋包装机。而凸轮齿轮组合机构，凸轮一四连杆组合机构因结构复杂，调整不方便，运动冲击又大，因此不常用。成都信息工程学院毕业论文 作者：杨倩第 页 共 42 页其中偏置曲柄导杆机构是目前高速包装机中应用较多的一种不等速机构。它的结构比较简单，加工方便，调节容易，成本低。但体积比较大，调整环节比较长。传动过程中，传动角 Y 不等于 90 度，因此传力特性不太好。当速度超过 300r/ min时，整个机构的动力性能变坏，动载振动和动平衡较难解决。在设计中我们利用控制精度高，动态响应快的 6SE70 系列变频器及其配套电机来替代不等速机构，从而达到变速的目的，且使包装机结构紧凑，惯性小。在包装过程中，通过严格的时序分析，知道要达到要求的速度，电机的启动、停止的时间一定要快，也就是电机的响应速度要快。一般的步进电机从上升到运行平稳的时间约需 200-400ms，达不到 120 ms 的要求。通过各种资料的查询，发现松下 MSMA 400W 交流伺服电机从静止加速到其额定转速 3000RPM 仅需几毫秒。因此，我们在要求快速启停的控制场合，利用松下 MSMA400W 交流伺服电机作为执行电机。整个控制系统以西门子 S7-300 系列 PLC 作为基础，其扫描速度在其他工业控制系统中处于领先地位，每 1000 条指令约需 0. 3 ms。通过材料，机械，电气的综合考虑，我们的设计达到了预期目标，且在实验室也调试成功。2.3 可编程控制系统控制方案的设计利用 PLC 可以构成多种控制系统:单机控制系统，集中控制系统，分散型控制系统和远程 I/0 控制系统。由于卷纸包装机控制对象较多，有放卷分切中的张力控制，包装过程控制，送料过程中的同步控制，且被控对象比较集中，因此我们采取集中控制系统方案。集中控制系统如图 2-3 所示，每个被控制对象与可编程控制器指定I/0 相连接，因此各被控对象之间的数据、状态的变换不需要另外设置专门的信号线路。该控制系统多用于控制对象所处的地理位置比较接近，且相互之间的动作有一定联系的场合。单主机控制方式，对主机要求较高，危险相对集中。远程 I/0 控制系统的控制结构比较独特，类似于集中控制系统，又具有分散型控制系统的特点，经常用于控制规模中等，控制对象比较分散、工程费用较低的场合。PLC 作为一种控制设备，用它单独构成一个控制系统是有局限性的，主要是无成都信息工程学院毕业论文 作者：杨倩第 页 共 42 页法进行复杂运算，无法显示各种实时图形和保存大量历史数据，也不能显示汉字和打印汉字报表，没有良好的界面。这些不足，我们选用上位机来弥补。上位机完成监测数据的存贮、处理与输出，以图形或表格形式对现场进行动态模拟显示、分析限值或报警信息，驱动打印机实时打印各种图表。为提高 PLC 及系统的抗干扰能力，在硬件配置与安装上，交流电源使用双层隔离，输入信号光电隔离，远离强电布线，模拟量信号和脉冲信号采用屏蔽线传递，采用放射性一点接地等措施，消除或减弱共模和瞬变干扰。在软件设计和编程上，加上一些抗干扰模块。2.4 系统的运行方式运行方式分为手动、单步、周期及自动等四种操作方式。1.手动：各工步都可单独点动，按钮释放即停止运行；2.单步：按下启动按钮，运行一个工步，到位即停。再按启动，则进入下一工步运行；3.周期：从初始位置开始，按启动按钮，程序自动完成一个周期的动作后返回第一步开始位置停止。4.自动：按启动按钮，程序完成一个周期的动作后又接着从第一步开始运行，自动循环。在自动方式下，中途若按下复位按钮，则系统要继续运行到第一步开始位置才停止；若按下停止按钮，则运行立即停止，此时若再按启动，系统即从该位置运行到第一步开始处停止。根据卷纸包装机的实际运行情况，本系统采用自动运行和手动运行两种方式。与运行方式的设计相对应，还必须考虑停止运行方式的设计。可编程控制器的停运方式有正常停运，暂时停运和紧急停运三种。根据控制系统要求，由于包装机运行期间采用循环工作方式，只有在工作结束或接收到操作人员的停止运行指令或设备出现故障或异常情况时才停止，因此本系统采用硬件切断电源，使系统立即停车。包装机控制功能要求：手动运行 可以用按钮对包装机的各个部分进行单独控制，主要用于故障恢复与检修全自动运行 按下启动按钮，系统即可连续、协调、周期性地循环完成各包装动作，直到系统接收到停止运行信号。2.5 控制系统硬件总体设计2.5.1 总体结构关系成都信息工程学院毕业论文 作者：杨倩第 页 共 42 页在前面己经说明，本系统采用可编程控制器(PLC)和工控机两级控制的结构。PLC 负责按钮、行程开关和其它开关量信号的输入，以及发出信号去控制接触器、继电器、变频器等电气元件，进而控制各电机的运行，同时控制相应指示灯的显示。工控机用来进行参数的修改与设定、全自动控制、在线监视、传送信息等工作。工控机通过串行口与 PLC 相连，进行相互通信，所以工控机是通过发出命令去控制PLC 的运行以达到进行全自动控制的目的。2.5.2 控制系统主要器件的选择卷纸包装机控制系统主要器件包括工控机(另配显示器)、PLC、变频器等。它们的选择都是以在保证功能的前提下尽可能地选择可靠性高和使用方便的产品为依据，具体情况如下：工控机本系统上位机选用研华 IPC-610 工控机，128M 内存，10G 硬盘，内部底板上有4 个 ISA 总线插槽、2 个 PCI 总线插槽和一个 CPU 插槽，可以方便地进行系统扩展，另外选配飞利浦 105A 型显示器，可清晰地显示各种图形和文字，运行WINDOWSNT 操作系统，外接打印机，打印报表。工控机由一台 500VA 的不间断电源 UPS 供电，保证报表数据的完整记录。下位 PLC 的选型及其模块配置在进行这项工作之前，需要对控制对象和控制任务进行统计和分析。然后确定系统的规模、机型和配值。据统计，该包装机控制系统需要配置如下的不同性质的I/0 点：80 个开关量输入；50 个开关量输出；15 个模拟量输入；15 个模拟量输出；根据对上述控制任务的分析，本项目选择了 Siemens 的模块化中小型 PLC 系统S7-300，它能满足中等性能要求的应用，应用领域相当广泛。其模块化、无排风扇结构、和易于实现分布，易于用户掌握等特点使得 S7-300 成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的方案。S7-300 系列所具有的多种性能递增的 CPU和丰富的且带有许多方便功能的 I/0 扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加的模块对 PLC 进行扩展。SIMATIC S7 一 300 所具备的高电磁兼容性和强抗振动，抗冲击性，更使其具有最高的工业环境适应性。它具有很强的计算能力和完善的指令集，以及通过 MPI成都信息工程学院毕业论文 作者：杨倩第 页 共 42 页接口和 SINEC LANS 联网的能力，适用于高速的过程处理需要。本系统所用的主机模块是 CPU 315-2DP，可以通过 MPI 转接电缆或通讯模块与计算机进行通讯，再加上其全面的诊断功能和完善的自我保护技术，使其具有极高的可靠性，极其适合本系统的需求。除此之外，它自带的 STEP7 编程软件功能强大，使用方便，也使开发过程变得简单快捷。此外，S7 -300 系列 PLC 还具有模块点数密度高，结构紧凑，性价比高，性能优越，装卸方便等优点。根据 I/0 点数的确定要按照实际点数再加 20 %-30%的备用量及其特性，配置了如下的模块： 2 个模拟量输入模块 (SM331 AI8*12Bit):可提供具有 12 位分辨率的总数为 16 路的模数转换通道； 4 个模拟量输出模块 SM332(AO 4*12Bit):可提供具有 12 位分辨率的总数为 16 路的模数转换通道； 4 个数字量输入模块 SM321 CDI32*24VDC):可提供总数为 128 路的开关量输入通道； 3 个数字量输出模块 SM322 D032*24VDC/0. 5A:可提供总数为 96 路的开关量输出通道； 中央处理单元 CPU315-2DP； 通讯处理器 CP343-5 接口模块 IM360 和 IM361。在本系统中，PLC 的主要任务是接受外部开关信号(按钮、行程开关、继电器节点)的输入，判断当前的系统状态以及输出信号去控制接触器、继电器等器件，以完成相应的控制任务。除此之外，另一个重要的任务就是接受工控机(上位机)的控制命令，以进行全自动包装循环。图 2-4 给出了本项目中配置的 S7-300PLC 模板的型号和数量，下面对使用的这些模块作具体介绍：PLC 的中央处理器 CPU315-2DPCPU315-2DP 是 S7 一 300 的大脑，其装载存储器的基本容量为 48K 字节或 80K字节，可用存储卡扩充装载存储器，最大容量可达到 512KB。每执行 1000 条二进成都信息工程学院毕业论文 作者：杨倩第 页 共 42 页制指令约需 0.3ms，最大可扩充 1024 点数字量 I/O 或 128 路模拟量通道。CPU315-2DP 内装硬件实时时钟。CPU315-2DP 的操作系统是事件驱动的用户程序扫描过程。CPU 响应哪个事件，操作系统自动调用该事件的组织块 OB 。 CPU315 可调用 128 个功能块 FB ( 0-127)；128 个功能调用 FC（0-127)； 127 个数据块 DB（127、0 保留)。OB、FB、FC、 DB 的容量均不大于 8KB。此外，还有 38 个系统功能块 SFC 集成在操作系统中供用户调用；有 9 个系统数据块 SDB 装载 S7-300 系统参数。CPU315-2DP 适用于要求高速处理和中等 I/O 规模的任务。它可以装载中等规模的程序，并具有中等的指令执行速度。接口模块 IM360 和 IM361当 PLC 系统的规模较大时，一个机架不能容纳所有的模块时，就要增添扩展机架，这时装有 CPU 的机架称为主机架。主机架和扩展机架之间通过接口模块 IM360和 IM361 形成统一的整体。每个机架的接口模块通过总线连接器连接到 I/O 模块。接口模块是自组态的，无需进行地址分配。具有指示系统状态和故障的发光二极管LED。如果 CPU 不确认此机架，则 LED 闪烁。一个系统可以有中央机架和最多三个扩展机架，每个机架最多八个扩展模块，相邻机架的间隔为 4 厘米到 10 米。 IM360 必须安装在 S7-300 的 0 号主机架上，IM360 和 IM361 之间的最大距离不超过 10 米。IM361 接口模块安装在 S7-300 的 1 号到 3 号的机架上:数据通过连接线368 由 IM360 传输到 IM361，再从 IM361 传输到下个机架上的 IM361；每个 IM361 需要一个外部 24V 电源，向扩展机架上的所有模块供电。可通过电源连接器连接PS307 负载电源。通讯处理器模块 CP343-5CP343-5 通讯处理器是用于 PROFIBUS-FMS 总线系统的 SIMATICS7-300 的通讯处理器。它内部带有微处理器，用来分担 CPU 的通讯任务，并支持其它的通讯连接。它可以通过 PROFIBUS -FMS 与 PROFIBUS 站点通讯;与编程器、人机界面装置进行通讯;与其他 SIMATIC S7 系统进行通讯。CP343 一 5 通讯处理器具有 SIMATICS7-300系统结构紧凑的优点，其 9 针 D 型连接器用于连接 PROFISUS , 4 针端子排用于连接外部 24V 直流电源电压。32 路数字输入模块 SM321数字输入模块 SM321 向外提供电源，将位于现场的开关触点的状态经过光电隔离和滤波，将从过程传输来的外部数字信号转化为内部 S7-300 信号电平。然后送至输入缓冲器等待 CPU 采样，采样时，信号经过背板总线进入到输入映像区。SM321数字输入模块具有 32 位独立的输入点，用于连接开关或 2 线接近开关(BERO)。数据采集部分与背板总线通过光电耦合器隔离。模块的每个输出点有一个绿色发光二极管 LED 显示输入状态。输入开关闭合即有输入电压时，LED 亮。32 位数字输出模块 SM 322 D032*24DC/0.5A数字输出模块将 S7-300 的内部信号电平转化为控制过程所需的外部信号电平。按负载回路使用的电源不同分为:直流输出模块、交流输出模块和交直流两用输出模块。SM322: D032*24DC/0.5A 属于晶体管输出方式的模块，只能带直流负载;32 个输出点，分成 8 组;0.5A 的输出电流;该模块输出具有短路保护功能，适用于连接电磁阀、接触器、小功率电机灯和电机启动器。8 路 12 位分辨率模拟量输入模块 SM331